碳纖維材料在結(jié)構(gòu)加固技術(shù)中的應(yīng)用

張春林 徐 華

(江蘇吳中地產(chǎn)集團(tuán)有限公司，江蘇 蘇州 215000)

碳纖維材料在結(jié)構(gòu)加固技術(shù)中的應(yīng)用

張春林 徐 華

(江蘇吳中地產(chǎn)集團(tuán)有限公司，江蘇 蘇州 215000)

介紹了碳纖維布與碳纖維板的材料特性，并對無預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力碳纖維加固方式進(jìn)行了探討，分析了建筑結(jié)構(gòu)的二次受力問題，指出了使用碳纖維進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)時(shí)需要注意的事項(xiàng)，為今后類似工程提供了參考。

碳纖維材料，結(jié)構(gòu)加固，預(yù)應(yīng)力

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)常會由于建筑功能改變，地震等自然災(zāi)害對結(jié)構(gòu)造成損害等，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)。在常用的加固方法中，碳纖維加固方法由于材料自身突出的力學(xué)性能，比重不到鋼的1/4，材料抗拉強(qiáng)度一般都在3 500 MPa以上等，成為了應(yīng)用較為廣泛的一種加固材料[1，2]。外貼碳纖維材料對于提高所加固構(gòu)件的抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度具有很好的加固效果。但碳纖維材料自身同時(shí)也具有材料的不足，因此在使用碳纖維材料對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時(shí)需要進(jìn)行仔細(xì)的分析和研究，選擇合適適宜的加固方法和具體的加固材料。

1 碳纖維布和碳纖維板

在建筑結(jié)構(gòu)加固工程中常用的碳纖維材料主要有兩種，一是碳纖維布；二是碳纖維板材。這兩種材料具有各自不同的材料特性。

1.1 碳纖維布

碳纖維布是一種單向碳纖維加固產(chǎn)品，通常采用12K碳纖維絲織造。具有兩種厚度：0.111 mm和0.167 mm，多種寬度。用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗拉、抗剪和抗震加固時(shí)，與配套浸漬膠共同使用成為碳纖維復(fù)合材料，構(gòu)成性能卓越的碳纖維布片材增強(qiáng)體系。具有強(qiáng)度高，密度小，厚度薄，基本不增加加固構(gòu)件自重及截面尺寸等優(yōu)點(diǎn)。

采用碳纖維布進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)便于現(xiàn)場裁剪施工和對有轉(zhuǎn)角的構(gòu)件進(jìn)行轉(zhuǎn)角。但是，由于其自身是纖維織布，需要在加固時(shí)增加碳纖維單向織物的樹脂固化階段，導(dǎo)致施工的工序和施工質(zhì)量保證的難度的增加。

1.2 碳纖維板

碳纖維板是將碳纖維浸漬樹脂后在模具內(nèi)固化并連續(xù)拉擠成型。采用優(yōu)質(zhì)碳纖維原料與良好的環(huán)氧樹脂加工而成，碳纖維板材具有拉伸強(qiáng)度高、耐腐蝕性、抗震性、抗沖擊性等良好性能。制成的碳纖維單向板材能充分發(fā)揮碳纖維的強(qiáng)度和彈性模量，在施工時(shí)可免除碳纖維單向織物的樹脂固化階段，強(qiáng)度利用效率高，施工方便，具有更高的施工質(zhì)量保證。由于，碳纖維板出廠時(shí)已經(jīng)固化，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，對于被加固構(gòu)件的基面打磨平整度要求很高，否則不利于碳纖維板與加固構(gòu)件的緊密貼合，影響加固效果[3，4]。

2 碳纖維材料加固的方案

目前采用碳纖維材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固時(shí)常用兩種方式，一種是無預(yù)應(yīng)力的外貼方式，另一種是采用預(yù)應(yīng)力的方式。

2.1 無預(yù)應(yīng)力碳纖維加固

被加固構(gòu)件的承載力提高程度不大，并且對于構(gòu)件的開裂沒有十分嚴(yán)格要求是可以考慮采用傳統(tǒng)的無預(yù)應(yīng)力碳纖維加固方法。該方法簡單，不需要特殊的設(shè)備，但是對于結(jié)構(gòu)承載力的提高程度不高，同時(shí)不能利用充分發(fā)揮碳纖維材料的抗拉承載力高的特性。

該方法加固時(shí)，首先應(yīng)清除被加固構(gòu)件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結(jié)構(gòu)層，并用修復(fù)材料將表面修復(fù)平整，并且對混凝土構(gòu)件表面有裂縫的應(yīng)按設(shè)計(jì)要求對裂縫進(jìn)行灌縫或封閉處理；然后，按圖紙要求將需粘貼的混凝土表面應(yīng)打磨平整，除去表層浮漿、油污等雜質(zhì)，直至完全露出混凝土結(jié)構(gòu)新面；最后，在清洗后干凈的混凝土結(jié)構(gòu)層涂抹專用的底膠，待底膠指觸干燥后涂抹專用的碳纖維材料粘貼膠，將按設(shè)計(jì)要求裁剪好的碳纖維材料粘貼于結(jié)構(gòu)的表面。

2.2 預(yù)應(yīng)力碳纖維加固

碳纖維材料的強(qiáng)度約為鋼材的10倍，而其模量基本上與鋼材相等，因此傳統(tǒng)的外貼碳纖維加固技術(shù)通常無法發(fā)揮碳纖維材料的高強(qiáng)度的性能。特別是對于受彎構(gòu)件進(jìn)行加固后，不能充分發(fā)揮碳纖維的高強(qiáng)度。因此，將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于碳纖維材料結(jié)合上成為了一個(gè)自然的選擇。大量的研究表明：施加預(yù)應(yīng)力后，加固構(gòu)件的開裂彎矩、屈服彎矩增大，減小了構(gòu)件的變形和截面應(yīng)變，其極限變形遠(yuǎn)小于非預(yù)應(yīng)力構(gòu)件。對于加固后承載力增幅要求較大或者對加固后結(jié)構(gòu)變形具有嚴(yán)格要求時(shí)，應(yīng)考慮采用預(yù)應(yīng)力的加固方法[6，7]。

采用預(yù)應(yīng)力碳纖維加固方法，可以充分利用碳纖維材料的抗拉強(qiáng)度高的特性，增大結(jié)構(gòu)的開裂彎矩，減小結(jié)構(gòu)的變形。但是，該方法需要特殊的張拉設(shè)備和碳纖維材料的錨固設(shè)備，對設(shè)備和人員要求較高，增加了施工的難度。

3 二次受力問題

在實(shí)際工程中，通常會涉及對現(xiàn)役結(jié)構(gòu)和在建結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。二者的不同在于，二次受力問題對前者的影響更為明顯，進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要考慮初始彎矩的影響。

對在建結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，正常使用荷載還沒有完全作用于結(jié)構(gòu)上，初始彎矩較小，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形和截面應(yīng)變較小，忽略二次受力的問題不會帶來嚴(yán)重的計(jì)算誤差。

對于現(xiàn)役結(jié)構(gòu)，荷載的長期作用，結(jié)構(gòu)的變形和截面應(yīng)變較為明顯，而碳纖維材料自身具有高強(qiáng)度，低模量的特點(diǎn)。在初次彎矩作用下，結(jié)構(gòu)剩余的變形能力不多，此時(shí)，若忽略二次受力的影響，則會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于加固后結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載力。對于這種情況下，需要從兩方面考慮：

1)加固設(shè)計(jì)時(shí)，考慮二次彎矩的影響，計(jì)算初始彎矩作用下結(jié)構(gòu)的變形和截面的應(yīng)變；2)在加固施工時(shí)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行卸載，恢復(fù)部分變形能力。

4 結(jié)語

碳纖維材料是一種十分優(yōu)秀的加固材料，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固工程中，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要考慮碳纖維布和碳纖維板材料性能不同，并且對采用不同材料性能時(shí)的加固方式的選擇給出了一些建議，同時(shí)討論了碳纖維材料加固設(shè)計(jì)時(shí)被加固構(gòu)件的二次受力問題。文中給出的建議都是在假定碳纖維布與混凝土面之間沒有相對滑移的條件下得出的，因此碳纖維布與混凝土基面之間的剝離需要進(jìn)行控制。

[1] 吳 剛，安 琳，呂志濤.碳纖維布用于鋼筋混凝土梁抗彎加

固的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2000(7)：45-47.

[2] 鄧宗才.碳纖維布增強(qiáng)鋼筋混凝土梁抗彎力學(xué)性能研究[J].中國公路，2001(2)：45-51.

[3] 尚守平，彭 暉，童 樺.預(yù)應(yīng)力碳纖維布材料加固混凝土受彎構(gòu)件的抗彎性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2003(5)：46.

[4] 丁亞紅，張春生，曾憲桃.內(nèi)嵌CFRP筋抗彎加固混凝土梁試驗(yàn)研究[J].鋼璃鋼/復(fù)合材料，2009(4)：56.

[5] 楊力彬.碳纖維布(CFRP)在建筑物結(jié)構(gòu)加強(qiáng)中的應(yīng)用[J].山西建筑，2012，38(15)：40-41.

[6] Meier U.Fiber-Reinforced-P1 astic Reinforcement for Concrete Structures，1993.

[7] Thanasis C.Triantafilllou Shear strengthing of reinforced concrete beams using epoxy-bonded FRP composites，1998.

The application of carbon fiber materials in construction reinforced technology

ZHANG Chun-lin XU Hua

(JiangsuWuzhongRealEstateGroupLimitedCompany,Suzhou215000,China)

This paper introduced the material characteristics of carbon fiber sheet and carbon fiber plate, and discussed the non pre-stressed and pre-stressed carbon fiber reinforcement methods, analyzed the secondary force problems of building structure, pointed out the matters should pay attention to in using carbon fiber to make structure reinforcement, provided reference for future similar project.

carbon fiber material, structure reinforcement, pre-stressed

1009-6825(2014)11-0053-02

2014-01-24

張春林(1979- )，男，工程師； 徐 華(1977- )，男，工程師

TU381

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